Konstruktionselemente Ein Element für Druck und Zug

Die technische Feder als klassisches Konstruktionselement in verschiedenen Ausführungen.

Anbieter zum Thema

Gutekunst Federn

Conductix-Wampfler GmbH

AFC Europe Ltd Bochum Technisches Zentrum

Technische Federn gehören zu den klassischen Konstruktionselementen und dienen in erster Linie der Energiespeicherung und Energieumformung. Die elastischen Eigenschaften der Federwerkstoffe werden dabei dahingehend genutzt, um so hohe Wiederholgenauigkeiten des jeweiligen Kraft-Weg-Verhaltens zu erreichen. Außer den bekannten Druckfedern nach DIN 2095/2096 und Zugfedern nach DIN 2097 gibt es noch eine Reihe von Sonderformen und Sonderausführungen. Die Hauptaufgaben der Federn liegen vor allem im Dämpfen von Stößen und Schwingungen, beispielsweise Fahrzeugfedern oder Pufferfedern, in der Einhaltung einer bestimmten Lage oder Stellung wie etwa Rückholfedern oder Ventilfedern, im Speichern von mechanischer Energie. Typische Vertreter sind dabei Uhrenfedern und Antriebsfedern. Darüber hinaus gibt es Anwendungen in den Bereichen Messen und Regeln wobei die Federwaage oder der Drehmomentmesser erste Anwendungsbereiche darstellen. Ebenso werden Federn zum verteilen und ausgleichen von Kräften oder zur Einhaltung einer Vorspannung eingesetzt.Die Bezeichnung der Feder erfolgt dabei vor allem nach der Form, der Beanspruchung oder dem Werkstoff. Wie bereits erwähnt, sind die meisten Federtypen genormt. Sie können aber auch auf die jeweilige Aufgaben angepasst werden, wie sie zum Beispiel die Federntechnik Knörzer in Pfullingen anbietet.Wesentlich für die Federnauswahl ist auch die Ausführung der Oberfläche. Diese wird in der Regel je nach Einsatzzweck gewählt, wofür als preiswerteste Alternative die verzinkte Oberfläche in Frage kommt. Dabei handelt es sich um eine galvanische Verzinkung, welche die Federn gegen starke Witterungseinflüsse schützt. Als Nachteil muss bei dieser Oberflächenart allerdings eine reduzierte Dauerschwingfestigkeit in Kauf genommen werden. Die so genannten blau verzinkten Federn bieten im Neuzustand eine strahlend glänzende Oberfläche, die jedoch im Laufe der Zeit ermattet. Die verzinkte Oberfläche eignet sich genauso wie die vernickelte Oberfläche, die noch relativ preiswert ist, besonders für die Massenherstellung. Teurer dagegen sind verchromte Oberflächen, hochglänzend und lange haltbar, jedoch nicht für dynamisch hochbelastete Federn zu gebrauchen, da sie den Federstahl verspröden lässt. Am günstigsten seien die kunststoffbeschichteten Oberflächen, da sie die Dauerfestigkeit der Feder nicht beeinflussen und sehr korrosions- und säurebeständig sind. Sie können in allen Farben geliefert werden. Darüber hinaus werden alle Federn serienmäßig nach den einschlägigen Vorschriften wärmeschlussbehandelt. Damit wird den Federn eine entsprechend große Härte und Dauerschwingfestigkeit gegeben. Je nach Belastungs- und Anwendungsfall können die Federn auch einer Sonderbehandlung unterzogen werden wozu beispielsweise die Kugelstrahlung gehört. Für die Werkstoffauswahl kommen im allgemeinen Federstähle unterschiedlicher Zusammensetzung sowie Edelstähle, Federbronze oder Inconelstähle zur Anwendung. Diesbezüglich setzt sich der Anwender am besten mit dem Federnhersteller zusammen um den optimalen Werkstoff zu finden.Druckfedern sind meist zylindrische Schraubenfedern und aus runden Drähten mit einem konstanten Durchmesser gefertigt. Der Abstand der Windungen (die so genannte Steigung) ist längs der Feder-achse konstant. Die linken und rechten Endwindungen sind angelegt und die Federn besitzen eine lineare Kennlinie. Die Hauptbeanspruchungsrichtung ist die Federachse. Zur Beurteilung der Federeigenschaften dient die Federkennlinie, welche die Kraft F in Abhängigkeit vom Federweg s darstellt. Das Verhältnis von Federkraft zu Federweg ist die Federrate. Die Zugfedern sind ebenfalls zylindrische Schraubenfedern aus runden Drähten und mit konstantem Durchmesser und besitzten, wie auch die Druckfedern, eine lineare Kennlinie. Die Belastung wirkt auch längs der Federachse. Zur Krafteinleitung ist an den beiden Enden je eine Öse angebracht. Die Ösenformen können vielfältig sein. Zwei Beispiele sind in Bild 4 gezeigt. Darüber hinaus sind noch vielfältige Lösungen möglich.Die besondere Feder besteht aus einem OvaldrahtEine ganz besondere Art der Zugfeder ist die Feder aus Ovaldraht, die vor allem für hochdynamische Einsätze geeignet ist. Dabei baut das Ovalprofil um etwa 30% flacher als ein Runddraht mit gleichem Widerstandsmoment. Praktisch heißt das, dass ein Ovaldraht mit der Abmessung 1,00 mm × 1,54 (Verhältnis) genauso stark ist wie ein Runddraht mit d = 1,30 mm. Das Ovalprofil mit dem Seitenverhältnis 1,54 hat im Test von allen untersuchten Profilen das beste Verhältnis von Federkraft zu Federweg hervorgebracht. So bietet das Oval bei einem vorgegebenen Widerstandsmoment einen größeren Umfang und somit auch mehr Elastizität als eine Ellipse und eine 30% gleichmäßigere Spannungsverteilung als ein Rechteck, was dem Oval entsprechend größere Federwege erlaubt. Die homogene Spannungsverteilung kommt vor allem der Dauerfestigkeit zugute. Die Stärke des Ovalprofils wird dann am deutlichsten, wenn man statt dem Federkörper die typische Schwachstelle aller Zugfedern betrachtet, nämlich die Öse. Denn die Biegespannung fällt an der typischen Öse um zirka 43%, was bedeutet, dass die Öse stabiler als der Federkörper selbst ist. Somit steigt auch die Lebensdauer nahezu um das 1000fache. Jetzt erst kommen die Vorteile der Zugfeder praktisch zum tragen.Zugfedern arbeiten im Vergleich zu Druckfedern praktisch momentenfrei, geradlinig und ohne Knickgefahr. Durch die eingewundene Vorspannung brauchen Zugfedern nicht so weit vorgespannt werden und es können flachere Kennlinien realisiert werden. Zusätzlich werden dynamisch beanspruchte Federn durch Kugelstrahlen unter Vorspannung nachbehandelt. Dadurch werden die Federn nicht nur 100%ig dauerfest sondern auch relaxationsfrei.Sonderformen von Federn bilden die Spiral-, Blatt- und Tellerfedern, auf die hier nicht eingegangen wird.Die Berechnungen von Federn werden im Allgemeinen vom Konstrukteur nach den einschlägigen Formeln vorgenommen. Jedoch bieten auch die Federnhersteller, wie beispielsweise die Federntechnik Knörzer in Pfullingen, jede Menge Unterstützung bei der Auswahl der richtigen Feder an.